基于智能檢測(cè)的電動(dòng)車(chē)充電保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

董文君　孫長(zhǎng)勇　李寧　孫建宇　李勇

摘? 要：電動(dòng)車(chē)在充電時(shí)出現(xiàn)的多種異常情況都有可能會(huì)造成電動(dòng)車(chē)充電火災(zāi)，市面上一般的電動(dòng)車(chē)配的原裝充電器在發(fā)生異常情況時(shí)不能進(jìn)行智能控制，且國(guó)內(nèi)現(xiàn)有研究都是針對(duì)電動(dòng)車(chē)原裝充電器做出改變，在市場(chǎng)上推行耗時(shí)較長(zhǎng)，并且針對(duì)的電動(dòng)自行車(chē)在充電時(shí)的異常情況單一，沒(méi)有及時(shí)警示功能等，潛伏一定的安全隱患。針對(duì)以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)基于智能檢測(cè)的電動(dòng)車(chē)充電保護(hù)裝置，通過(guò)多種傳感器檢測(cè)電動(dòng)車(chē)充電時(shí)可能發(fā)生的各種異常情況，及時(shí)斷電保護(hù)電動(dòng)車(chē)內(nèi)部元件，避免危險(xiǎn)發(fā)生并發(fā)出警報(bào)提醒使用者，其便攜性強(qiáng)，適用人群廣，不會(huì)影響到充電效能和效果。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)車(chē)；充電保護(hù)裝置；傳感器

中圖分類(lèi)號(hào)：TP39? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）19-0195-04

Design of Electromobile Charging Protection Device Based on Intelligent Detection

DONG Wenjun， SUN Changyong， LI Ning， SUN Jianyu， LI Yong

（School of Mechanical Engineering， Shandong Huayu University of Technology， Dezhou? 253034， China）

Abstract： Many kinds of abnormal conditions of electromobiles during charging may cause electromobile charging fire. The original charger of ordinary electromobiles on the market can not be intelligently controlled when abnormal conditions occur， and the current research situation in China is to make changes to the original electromobile charger， which takes a long time to implement on the market. The abnormal situation of focused electromobile in charge is single， and it has no timely warning function and has potential security risks. Aiming at the above problems， the electromobile charging protection device based on intelligent detection is designed， A variety of sensors are used to detect a variety of abnormal situation that may occur when charging， and timely power off to protect electromobile internal components to avoid danger and alert users. It is portable and applicable to a wide range of people， and will not affect the charging efficiency and effect.

Keywords： electromobile; charging protection device; sensor

0? 引? 言

電動(dòng)車(chē)作為目前國(guó)內(nèi)幾乎每家必備的交通工具之一，是人們短路程出行的首選交通工具之一，是現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的重要交通工具之一。而目前因?yàn)殡妱?dòng)車(chē)充電而產(chǎn)生的火災(zāi)事故平均每天就有近40起，電動(dòng)車(chē)充電起火造成的火災(zāi)占電動(dòng)車(chē)火災(zāi)的80%，而部分廠(chǎng)家為了追求經(jīng)濟(jì)利益，在電動(dòng)車(chē)核心元件上使用線(xiàn)徑小、劣質(zhì)的電線(xiàn)，導(dǎo)致電動(dòng)車(chē)充電火災(zāi)愈演愈烈。此外，長(zhǎng)時(shí)間使用電動(dòng)車(chē)、消費(fèi)者使用不規(guī)范、充電器混用都可能會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)的發(fā)生。

國(guó)內(nèi)已經(jīng)推出了一些電動(dòng)自行車(chē)智能充電安全控制系統(tǒng)，但是，這些系統(tǒng)所檢測(cè)的物理量比較單一，基本上都是對(duì)電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并且不能保證立即中斷充電過(guò)程。而本文所提到的電動(dòng)車(chē)充電的保護(hù)裝置在電動(dòng)車(chē)充電出現(xiàn)異常情況時(shí)，就會(huì)立即斷開(kāi)控制電路，同時(shí)會(huì)給手機(jī)發(fā)送短信提醒、警報(bào)器報(bào)警警示，對(duì)于電動(dòng)車(chē)充電火災(zāi)的救援等還可以提供時(shí)間數(shù)據(jù)上的幫助，對(duì)于電動(dòng)車(chē)充電起火的形勢(shì)判斷和搜救都有著極大的幫助。電動(dòng)車(chē)充電保護(hù)的智能便攜式輔助裝置，適用于大部分的電動(dòng)車(chē)充電，而且使用電動(dòng)車(chē)充電保護(hù)的智能便攜式輔助裝置對(duì)于其充電器的充電效能和效果是沒(méi)有影響的，其使用只是增加了一套監(jiān)測(cè)設(shè)備，使充電過(guò)程更安全。

1? 主要功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電動(dòng)車(chē)充電的保護(hù)裝置主要是由控制單元（ECU）、報(bào)警器、定時(shí)器、煙感傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、水滴傳感器、整流變壓器、顯示屏、繼電器、旋鈕、功能開(kāi)關(guān)、恢復(fù)按鈕、保險(xiǎn)絲、電源插頭孔、充電器充電插頭孔、智能便攜式輔助裝置充電插頭、電源插頭、電流互感器等組成，該系統(tǒng)的控制電路簡(jiǎn)圖如圖1所示。

水滴傳感器是預(yù)防充電器遇到水時(shí)，或者是在下雨天氣造成充電短路情況；火焰?zhèn)鞲衅魇菓?yīng)對(duì)當(dāng)環(huán)境出現(xiàn)明火且距離充電器很近的情況；煙霧傳感器彌補(bǔ)火焰?zhèn)鞲衅髟谝恍┨厥獾那闆r下，出現(xiàn)燃燒而無(wú)明火，導(dǎo)致火焰?zhèn)鞲衅鳠o(wú)法及時(shí)檢測(cè)到；一氧化碳傳感器是應(yīng)對(duì)環(huán)境中一氧化碳濃度超過(guò)正常值時(shí)產(chǎn)生危害的情況；溫度傳感器，一方面是防止充電器內(nèi)部溫度過(guò)高，對(duì)電子器件造成損壞，另一方面是防止環(huán)境溫度過(guò)高引發(fā)燃燒等情況；濕度傳感器是預(yù)防由于電動(dòng)車(chē)充電時(shí)環(huán)境濕度過(guò)高而造成充電器上出現(xiàn)積水繼而導(dǎo)致漏電等危害發(fā)生。當(dāng)出現(xiàn)以上幾種異常情況，本文所提到的電動(dòng)車(chē)充電保護(hù)裝置將通過(guò)繼電器控制端子使智能輔助裝置中線(xiàn)路斷開(kāi)，使充電器的電源電路和充電器的充電電路斷開(kāi)，從而讓電動(dòng)車(chē)充電過(guò)程中斷，SIM板塊和警報(bào)器會(huì)通電，SIM板塊會(huì)將信息發(fā)送至手機(jī)，同時(shí)報(bào)警警示，做到及時(shí)保護(hù)電動(dòng)車(chē)電源。

當(dāng)電動(dòng)車(chē)需要充電的時(shí)候，本產(chǎn)品使用者首先需把充電器的電源插頭和充電插頭分別插接到智能便攜式輔助裝置相應(yīng)的插座孔內(nèi)，接著把智能輔助裝置上的充電插頭插接到電動(dòng)車(chē)充電插座孔內(nèi)，然后把智能輔助裝置的電源插頭插接到家庭的電源插孔內(nèi)，最后打開(kāi)智能開(kāi)關(guān)，溫度傳感器、濕度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、水滴傳感器、煙感傳感器、定時(shí)器檢測(cè)后將相應(yīng)信號(hào)傳遞給控制單元（ECU），確認(rèn)環(huán)境溫度信號(hào)正常、環(huán)境濕度信號(hào)正常、環(huán)境無(wú)火焰、環(huán)境無(wú)水滴、環(huán)境無(wú)煙霧后，這樣就可以在較安全保護(hù)的環(huán)境下充電了，系統(tǒng)控制電路圖如圖1所示。

溫度傳感器、濕度傳感器及電流互感器實(shí)時(shí)將信息傳遞至控制單元，控制單元連接至顯示屏上，在顯示屏上會(huì)有當(dāng)前環(huán)境溫度、濕度、通過(guò)電流信息。利用電流互感器輸電過(guò)程中將不同設(shè)備的交流電轉(zhuǎn)換成所需的電流大小，在顯示屏的下方設(shè)置旋鈕1和旋鈕2，旋鈕1可調(diào)節(jié)通過(guò)電流大小，不僅能監(jiān)控測(cè)量這些線(xiàn)路的電流大小，還可避免高壓危險(xiǎn)，通過(guò)改變電流可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)充電器給多個(gè)不同品牌電動(dòng)車(chē)充電；通過(guò)旋鈕2調(diào)節(jié)充電時(shí)長(zhǎng)，若不設(shè)定充電時(shí)長(zhǎng)，在顯示屏上顯示0/-1，若設(shè)定充電時(shí)長(zhǎng)，旋轉(zhuǎn)旋鈕調(diào)至想設(shè)定的時(shí)長(zhǎng)，0/n（n為設(shè)定時(shí)長(zhǎng)），開(kāi)始充電后，會(huì)自動(dòng)計(jì)時(shí)，斜杠前面的數(shù)字0代表了已經(jīng)充電0分鐘。待充電時(shí)長(zhǎng)達(dá)到后，計(jì)時(shí)器會(huì)將信號(hào)傳遞至控制單元（ECU）。

如果控制單元（ECU）檢測(cè)到充電器電源的電流有異常、充電器的充電電流有異常、環(huán)境溫度過(guò)高、環(huán)境濕度過(guò)高、環(huán)境一氧化碳濃度過(guò)高、環(huán)境有火焰時(shí)、環(huán)境有水滴時(shí)、環(huán)境有煙霧或者是達(dá)到設(shè)定充電時(shí)間這八項(xiàng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容中的任何一項(xiàng)指標(biāo)，控制單元（ECU）發(fā)出信號(hào)通過(guò)繼電器控制端子使智能輔助裝置中充電器的電源電路和充電器的充電電路斷開(kāi)，使電動(dòng)車(chē)充電過(guò)程中斷，從而保護(hù)電動(dòng)車(chē)內(nèi)部元件，避免電動(dòng)車(chē)燃燒，防止發(fā)生更大的電動(dòng)車(chē)火災(zāi)造成人員財(cái)產(chǎn)的損失，此時(shí)SIM板塊和警報(bào)器會(huì)通電將報(bào)警信息發(fā)送至手機(jī)，同時(shí)報(bào)警警示。排除異常情況后，按一下恢復(fù)按鈕，警報(bào)解除，同時(shí)智能控制電路接通到原來(lái)的狀態(tài)。

2? 電動(dòng)車(chē)居家保護(hù)裝置的傳感器

2.1? 環(huán)境水滴傳感器

環(huán)境水滴傳感器選用型號(hào)為KPD/MF5C-103G-395F。主要用于檢測(cè)陰雨天氣環(huán)境、充電器上方滴水環(huán)境，防止在滴水環(huán)境中由于充電裝置上部有滴水而導(dǎo)致電路短路等異常情況發(fā)生從而導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。

當(dāng)本文所提到的電動(dòng)車(chē)充電保護(hù)裝置檢測(cè)到電動(dòng)車(chē)充電環(huán)境有雨滴時(shí)，將通過(guò)繼電器控制端子使智能輔助裝置中充電器的電源電路和充電器的充電電路斷開(kāi)，電動(dòng)車(chē)充電過(guò)程中斷，SIM板塊和警報(bào)器會(huì)通電將充電環(huán)境遇水滴的報(bào)警信息發(fā)送至手機(jī)以警示使用用戶(hù)。

2.2? 環(huán)境火焰?zhèn)鞲衅?/p>

主要用于檢測(cè)明火環(huán)境，防止在明火環(huán)境中由于遇到明火后充電裝置升溫造成電路和元件的損壞等異常情況發(fā)生從而導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。

使用HY-A1火焰?zhèn)鞲衅鲀?nèi)置火焰探頭，能夠探測(cè)周?chē)h(huán)境中是否存在火焰或者波長(zhǎng)在760～1 100納米范圍內(nèi)的光源。

當(dāng)本文所提到的電動(dòng)車(chē)充電保護(hù)裝置檢測(cè)到電動(dòng)車(chē)充電環(huán)境有明火時(shí)，同2.1使電動(dòng)車(chē)充電過(guò)程中斷后，SIM板塊和警報(bào)器通電將充電環(huán)境遇明火的報(bào)警信息發(fā)送至手機(jī)以警示使用用戶(hù)。

2.3? 環(huán)境煙霧傳感器

MQ-2半導(dǎo)體氣敏元件主要用于檢測(cè)煙霧環(huán)境，防止在充電時(shí)檢測(cè)到其他異常情況導(dǎo)致有煙霧的情況而造成安全隱患，以防止由于其他未檢測(cè)到的因素（例如無(wú)明火而升溫導(dǎo)致有元件燃燒有煙霧）而導(dǎo)致的安全隱患。

當(dāng)本文所提到的電動(dòng)車(chē)充電保護(hù)裝置檢測(cè)到電動(dòng)車(chē)充電環(huán)境有煙霧時(shí)，同2.1使電動(dòng)車(chē)充電過(guò)程中斷后，SIM板塊和警報(bào)器通電將充電環(huán)境有煙霧情況的報(bào)警信息發(fā)送至手機(jī)以警示使用用戶(hù)。

2.4? 一氧化碳傳感器

選用產(chǎn)品型號(hào)為CO/CF-1000的一氧化碳傳感器。主要用于檢測(cè)一氧化碳環(huán)境，防止由于充電等異常情況發(fā)生從而導(dǎo)致一氧化碳?xì)怏w的產(chǎn)生造成人員的傷亡。

當(dāng)本文所提到的電動(dòng)車(chē)充電保護(hù)裝置檢測(cè)到電動(dòng)車(chē)充電環(huán)境有一氧化碳時(shí)，同2.1使電動(dòng)車(chē)充電過(guò)程中斷后，SIM板塊和警報(bào)器通電將充電氣體環(huán)境中含有一氧化碳情況的報(bào)警信息發(fā)送至手機(jī)以警示使用用戶(hù)。

2.5? 環(huán)境溫度傳感器

NTC熱敏電阻器主要用于檢測(cè)高溫環(huán)境，防止在高溫環(huán)境中由于溫度過(guò)高而導(dǎo)致元件的損傷、長(zhǎng)時(shí)間高溫導(dǎo)致充電保護(hù)裝置的燃燒等異常情況發(fā)生從而導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。

當(dāng)本文所提到的電動(dòng)車(chē)充電保護(hù)裝置檢測(cè)到電動(dòng)車(chē)充電環(huán)境溫度對(duì)電動(dòng)車(chē)充電造成安全隱患時(shí)，同2.1使電動(dòng)車(chē)充電過(guò)程中斷后，SIM板塊和警報(bào)器通電將充電溫度環(huán)境異常的報(bào)警信息發(fā)送至手機(jī)以警示使用用戶(hù)。

2.6? 環(huán)境濕度傳感器

環(huán)境濕度傳感器HIH4000-003主要用于檢測(cè)陰雨天氣環(huán)境，防止在高濕度環(huán)境中由于電動(dòng)車(chē)充電時(shí)濕度過(guò)高而導(dǎo)致電路聯(lián)電等異常情況發(fā)生從而導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。

當(dāng)本文所提到的電動(dòng)車(chē)充電保護(hù)裝置檢測(cè)到電動(dòng)車(chē)充電環(huán)境濕度對(duì)電動(dòng)車(chē)充電造成安全隱患時(shí)，同2.1使電動(dòng)車(chē)充電過(guò)程中斷后，SIM板塊和警報(bào)器通電將充電濕度環(huán)境異常的報(bào)警信息發(fā)送至手機(jī)以警示使用用戶(hù)。

2.7? 水位傳感器

主要用于檢測(cè)充電保護(hù)裝置及充電器底部是否有積水，防止在底部有積水的環(huán)境中由于積水而導(dǎo)致電路短路等異常情況發(fā)生從而導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。

當(dāng)本文所提到的電動(dòng)車(chē)充電保護(hù)裝置檢測(cè)到電動(dòng)車(chē)充電環(huán)境底部有積水時(shí)，同2.1使電動(dòng)車(chē)充電過(guò)程中斷后，SIM板塊和警報(bào)器通電將充電環(huán)境有充電器底部有水或其他液體漫延情況的報(bào)警信息發(fā)送至手機(jī)以警示使用用戶(hù)。

2.8? 蜂鳴器

當(dāng)電動(dòng)車(chē)充電保護(hù)裝置各個(gè)傳感器檢測(cè)到異常情況后，蜂鳴器立即發(fā)出警報(bào)來(lái)警示附近的人查看情況以防止由于異常情況無(wú)人看管并使用者不能夠及時(shí)排除異常情況所造成更加嚴(yán)重的后果。

3? 應(yīng)用效果及檢驗(yàn)

通過(guò)對(duì)于本裝置的設(shè)計(jì)，首先對(duì)程序設(shè)計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，程序部分可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能效果。其次在將本裝置制作出原型實(shí)驗(yàn)裝置并進(jìn)行多次檢驗(yàn)之后，證實(shí)本裝置可以完成預(yù)期功能，目前本裝置尚在調(diào)試階段，部分程序如圖2所示。

在檢驗(yàn)電動(dòng)車(chē)充電保護(hù)裝置使用效果時(shí)，我們對(duì)裝置進(jìn)行了明火、滴水、高濕度、高溫、煙霧等情況的模擬試驗(yàn)，以確認(rèn)裝置是否能夠達(dá)成設(shè)計(jì)需要。

當(dāng)使用打火機(jī)靠近火焰?zhèn)鞲衅鳎ㄒ阅M明火環(huán)境）時(shí)，蜂鳴器報(bào)警并立即斷電，試用用戶(hù)端手機(jī)在3分鐘內(nèi)收到了“Please note that the charger is abnormal and has stopped charging”的信息報(bào)警。

當(dāng)使用濕巾在水滴傳感器上端擠壓出水（以模擬陰雨天氣環(huán)境、充電裝置上方漏水環(huán)境）時(shí)，蜂鳴器報(bào)警并立即斷電，試用用戶(hù)端手機(jī)在3分鐘內(nèi)收到了“Please note that the charger is abnormal and has stopped charging”的信息報(bào)警。

當(dāng)使用小功率加濕器靠近濕度傳感器（以模擬陰雨天氣環(huán)境、高濕度環(huán)境）時(shí)，蜂鳴器報(bào)警并立即斷

電，試用用戶(hù)端手機(jī)在3分鐘內(nèi)收到了“Please note that the charger is abnormal and has stopped charging”的信息報(bào)警。

當(dāng)使用少量煙霧靠近煙霧傳感器（以模擬煙霧環(huán)境）時(shí)，蜂鳴器報(bào)警并立即斷電，試用用戶(hù)端手機(jī)在3分鐘內(nèi)收到了“Please note that the charger is abnormal and has stopped charging”的信息報(bào)警。

當(dāng)使用加熱裝置靠近溫度傳感器（以模擬高溫環(huán)境）時(shí)，蜂鳴器報(bào)警并立即斷電，試用用戶(hù)端手機(jī)在3分鐘內(nèi)收到了“Please note that the charger is abnormal and has stopped charging”的信息報(bào)警。

當(dāng)電動(dòng)車(chē)充電保護(hù)裝置放置地上并使用盛水容器向水位傳感器方向緩慢倒水（以模擬積水環(huán)境）時(shí)，蜂鳴器報(bào)警并立即斷電，試用用戶(hù)端手機(jī)在3分鐘內(nèi)

收到了“Please note that the charger is abnormal and has stopped charging”的信息報(bào)警。

本裝置的實(shí)物圖如圖3所示，正常運(yùn)行時(shí)的屏幕信息顯示如圖4所示。

4? 結(jié)? 論

目前市面上一般的電動(dòng)車(chē)配的原裝充電器在發(fā)生異常情況時(shí)不能智能控制，智能充電樁配套設(shè)施適用范圍小，使用不便，還待完善。國(guó)內(nèi)研究的電動(dòng)車(chē)充電保護(hù)裝置大多針對(duì)電流異樣情況，或者是針對(duì)由于充電方法不當(dāng)，易造成蓄電池未充滿(mǎn)電或者充電過(guò)量損害充電電池的問(wèn)題做出的智能型充電器。面對(duì)目前市面上的大多數(shù)電動(dòng)自行車(chē)充電器的進(jìn)一步改良需要大面積的更改，花費(fèi)時(shí)間較多，而本裝置的便攜性強(qiáng)、使用方便還可以做到智能可控，對(duì)于內(nèi)外部環(huán)境的異常情況，能夠做到及時(shí)斷電起到保護(hù)電動(dòng)車(chē)電源、電動(dòng)車(chē)內(nèi)部元件并提醒警示的作用，對(duì)于傳統(tǒng)的電動(dòng)自行車(chē)充電器來(lái)說(shuō)比較友好，無(wú)需原裝改變，連接即可使用，可以比較快速地適應(yīng)市場(chǎng)，對(duì)于騎行者人身財(cái)產(chǎn)安全也起到了一定的保護(hù)作用。

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作者簡(jiǎn)介：董文君（2001—），女，漢族，山東淄博人，本科在讀，研究方向：機(jī)械工程。

收稿日期：2023-04-10

基金項(xiàng)目：山東華宇工學(xué)院2022年校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（X202213857028）